使用碳化硅進(jìn)行雙向車載充電機(jī)設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車（EV）車載充電機(jī)（OBC）可以根據(jù)功率水平和功能采取多種形式，充電功率從電動(dòng)機(jī)車等應(yīng)用中的不到2 kW，到高端電動(dòng)汽車中的22 kW不等。傳統(tǒng)上，充電功率是單向的，但近年來，雙向充電越來越受到關(guān)注。本文將重點(diǎn)關(guān)注雙向OBC，并討論碳化硅（SiC）在中功率（6.6 kW）和高功率（11 - 22 kW）OBC中的優(yōu)勢。

為什么要轉(zhuǎn)向采用雙向OBC？

隨著汽車世界朝著用更清潔的燃料替代品取代汽油的方向發(fā)展，電動(dòng)汽車運(yùn)輸?shù)氖袌鰠^(qū)塊正在經(jīng)歷快速增長。隨著純電動(dòng)汽車的市場份額不斷增加，每輛車的電池裝機(jī)容量也在增加，消費(fèi)者還要求為大容量電池提供更快的充電時(shí)間。尤其是針對高性能的電動(dòng)汽車，這種需求也促使電池工作電壓從400 V增加到800 V。

配備足夠電池容量的電動(dòng)汽車將有可能充當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種車聯(lián)網(wǎng)（vehicle-to-everything, V2X）的充電用例，像是車輛到家庭發(fā)電、車輛到電網(wǎng)的應(yīng)用機(jī)會(huì)，或是進(jìn)行車輛到車輛充電。因此，OBC正在從單向拓?fù)涞诫p向拓?fù)滢D(zhuǎn)變，采用雙向 OBC 提高系統(tǒng)效率是一種普遍趨勢。

雙向OBC系統(tǒng)模塊

電動(dòng)汽車的OBC設(shè)計(jì)需要高功率密度和最大化效率，以充分利用可用的電動(dòng)汽車空間并最小化重量。雙向OBC由一個(gè)雙向AC/DC轉(zhuǎn)換器組成，通常是一個(gè)功率因數(shù)校正（PFC）或有源前端（AFE）電路，后面則跟著一個(gè)隔離的雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器。讓我們分別檢查這些模塊。

PFC/AFE模塊

在輸入端，傳統(tǒng)的PFC升壓轉(zhuǎn)換器是使用最廣泛的單相拓?fù)洌恢С蛛p向操作并且效率相對較低。圖騰柱PFC通過消除橋式整流器級(jí)來提高效率，將傳導(dǎo)路徑中的半導(dǎo)體器件數(shù)量從三個(gè)減少到兩個(gè)。

圖2：從升壓拓?fù)?a)更改為圖騰柱PFC (b)可提高效率并允許雙向操作。

圖騰柱PFC包含兩個(gè)以不同頻率工作的半橋，高頻橋臂進(jìn)行升壓、整流，以高頻率切換。低頻橋臂主要對輸入電壓進(jìn)行整流，在50/60 Hz的頻率下切換。

在歐洲的一些地區(qū)，三相電源可用于住宅公用事業(yè)，通?？梢允褂萌?開關(guān)PFC/AFE拓?fù)?，如圖3所示。

圖3：雙向三相6開關(guān)PFC拓?fù)?/p>

還有其他類型的三相PFC，例如T型PFC，它是一種三電平轉(zhuǎn)換器。三電平轉(zhuǎn)換器的好處是開關(guān)損耗更低，電感器尺寸更小。然而，想要獲得這些好處，將會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜性、更多的器件數(shù)量、更高的總成本和轉(zhuǎn)換器的總體尺寸。因此，圖3所示的基本2電平三相PFC轉(zhuǎn)換器，是三相雙向OBC最常用的拓?fù)洹?/p>

DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊

單向OBC中的DC/DC轉(zhuǎn)換器通常是LLC諧振轉(zhuǎn)換器，但這是一種單向拓?fù)洌诜聪蚬ぷ髂Ｊ较?，轉(zhuǎn)換器的電壓增益受到限制，從而降低了其性能。因此，圖4中的雙向CLLC諧振轉(zhuǎn)換器更適合DC/DC級(jí)，因?yàn)樗诔潆姾头烹娔Ｊ较露冀Y(jié)合了高效率和寬輸出電壓范圍。

圖4：雙向CLLC DCDC轉(zhuǎn)換器

在電動(dòng)汽車OBC應(yīng)用中，CLLC采用軟開關(guān)來提高效率，采用初級(jí)側(cè)的零電壓開通（ZVS），次級(jí)側(cè)ZVS+ZCS開關(guān)相結(jié)合。

另一種常見的雙向DCDC轉(zhuǎn)換器拓?fù)涫请p有源橋（DAB）。DAB的操作非常簡單，通過移相調(diào)節(jié)輸出。然而，它的ZVS范圍有限，并且由于DAB關(guān)斷電流高于CLLC，因此其開關(guān)損耗高于CLLC。因此，總的來說，DAB的效率低于CLLC。另一方面，CLLC中諧振電路的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。

SiC的諸多優(yōu)點(diǎn)

SiC因其獨(dú)特的高臨界電場、高電子漂移速度、高溫和高導(dǎo)熱性組合，而成為大功率系統(tǒng)的首選。在晶體管級(jí)別上，其具備低導(dǎo)通電阻（RDS(on)）和低開關(guān)損耗，使其成為大電流高壓應(yīng)用的理想選擇。

除了SiC，大功率設(shè)計(jì)中的有源器件還有另外兩種選擇，包括硅（Si）MOSFET和 IGBT。對于圖騰柱PFC中的高功率應(yīng)用，Si MOSFET是不切實(shí)際的。Si MOSFET體二極管的反向恢復(fù)，導(dǎo)致連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下高功率損耗，因此其使用僅限于非連續(xù)模式操作和低功率應(yīng)用。相比之下，SiC MOSFET允許圖騰柱PFC在CCM中運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)高效率、低EMI和更高的功率密度。對于額定電壓，Si MOSFET在650 V的電壓下，具有良好的Rdson性能。對于1200 V，Si MOSFET的Rdson對于這種大功率應(yīng)用來說太高了。

與IGBT相比，SiC MOSFET也具有優(yōu)勢。IGBT體二極管可以使用超快速二極管代替。但I(xiàn)GBT的最大開關(guān)頻率由于其高開關(guān)損耗而受到限制。與SiC解決方案相比，低開關(guān)頻率增加了磁性器件和無源組件的重量和尺寸。

中功率雙向OBC架構(gòu)（<6.6 kW）

中功率OBC通常采用單相120 V或240 V輸入和400 VDC母線運(yùn)行。拓?fù)涫菃蜗鄨D騰柱PFC，后面跟著CLLC DCDC轉(zhuǎn)換器，如圖5所示。

圖5：使用SiC和圖騰柱PFC的高效OBC架構(gòu)

對于6.6 kW，PFC中每個(gè)位置可采用兩個(gè)60 mΩ MOSFET并聯(lián)（例如Wolfspeed E3M0060065K）或用一個(gè)25 mΩ MOSFET，DCDC中每個(gè)位置可采用一個(gè)60 mΩ（E3M0060065K），或一個(gè)45 mΩ MOSFET（E3M0045065K）。下表總結(jié)了這種雙向OBC設(shè)計(jì)的器件選擇。

表1：高效雙向OBC架構(gòu)（3.3 - 6.6 kW）的MOSFET選擇

Wolfspeed團(tuán)隊(duì)基于圖5中的架構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)6.6 kW OBC參考設(shè)計(jì)，以展示SiC MOSFET在此應(yīng)用中的性能和實(shí)際用途。

該表顯示了相關(guān)的需求。

表2：6.6 kW雙向OBC參考設(shè)計(jì)規(guī)格

可在線找到Wolfspeed的6.6 kW高功率密度雙向OBC參考設(shè)計(jì)的詳細(xì)信息。

更高功率的雙向OBC設(shè)計(jì)（11 kW / 22 kW）

在11 kW或22 kW等更高功率水平下，電池電壓可以是400 V或800 V，但如前所述，目前市場則正朝著800 V發(fā)展。圖6顯示了高功率三相雙向OBC的系統(tǒng)框圖。

圖6：高功率三相雙向OBC系統(tǒng)框圖

該設(shè)計(jì)可兼容400 V或800 V電池。

11 kW設(shè)計(jì)可以將75 mΩ 1200 V MOSFET（例如Wolfspeed的E3M0075120K）用于PFC和CLLC轉(zhuǎn)換器的初級(jí)側(cè)。在次級(jí)側(cè)，800V電池應(yīng)用使用與初級(jí)相同的75 mΩ MOSFET。40 mΩ 1200 V MOSFET可用于高性能應(yīng)用，對于400 V電池應(yīng)用，可以選擇四個(gè)650 V 25 mΩ MOSFET作為次級(jí)側(cè)。

22 kW的設(shè)計(jì)與11 kW OBC的設(shè)計(jì)相似，但更高的功率輸出需要更低的Rdson器件，可用一個(gè)32 mΩ 1200 V MOSFET用于PFC和DCDC的初級(jí)側(cè)。同樣地，次級(jí)側(cè)既可以將相同的初級(jí)側(cè)器件用于800 V母線應(yīng)用，也可以在400 V應(yīng)用使用650 V 15 mΩ來替代。表3總結(jié)了大功率三相設(shè)計(jì)的器件選擇。

表3：11kW和22kW雙向OBC的MOSFET選擇

Wolfspeed為3相雙向OBC設(shè)計(jì)了兩種參考設(shè)計(jì)，一種用于22 kW三相PFC，一種用于22 kW DCDC，下表顯示了對大功率22 kW OBC的要求。OBC設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了大于96%的整體效率，充電和放電模式的DC/DC峰值效率大于98.5%。有關(guān)三相22 kW PFC和22 kW DC/DC的更多詳細(xì)信息，請?jiān)L問Wolfspeed網(wǎng)站。

表4：用于雙向OBC的22 kW三相PFC和DCDC的高端規(guī)格

22 kW基于SiC的參考設(shè)計(jì)兼容單相輸入和三相輸入

在許多歐洲家庭中，三相電源很容易獲得，但典型的美國家庭、亞洲和南美家庭只有標(biāo)準(zhǔn)的單相240 V。在這種情況下，設(shè)計(jì)需要大功率的22 kW OBC，它可以同時(shí)兼容單相和三相以減少OBC的數(shù)量。第四條橋臂被添加到傳統(tǒng)的三相PFC中，這樣設(shè)計(jì)人員就可以對單相輸入使用交錯(cuò)技術(shù)。圖7顯示了一個(gè)交錯(cuò)式圖騰柱PFC，它具有三個(gè)高頻橋臂和第四個(gè)低頻橋臂，每個(gè)PFC的高頻橋臂通過32 mΩ 1200 V SiC MOSFET提供6.6 kW的功率。低頻橋臂可以使用兩個(gè)Si IGBT來降低成本。當(dāng)三相可用時(shí)，該電路可以自動(dòng)重新配置為三相工作，使第四條橋臂懸空不用。

圖7：用于22 kW單相設(shè)計(jì)的交錯(cuò)式圖騰柱PFC

22 kW雙向OBC中比較SiC與Si

在雙向OBC中，基于SiC的解決方案在成本、尺寸、重量、功率密度和效率所有相關(guān)方面，都優(yōu)于基于Si的解決方案。例如，在（為什么在下一個(gè)雙向車載充電機(jī)設(shè)計(jì)中選擇SiC而不是Si？）中詳細(xì)的比較表明，22kW雙向OBC（圖6中所示）基于SiC的解決方案需要14個(gè)功率器件和14個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器，基于Si的設(shè)計(jì)需要22個(gè)功率器件和22個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器。

在比較性能時(shí)，SiC設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了97%的效率和3 kW/L的功率密度，而Si設(shè)計(jì)效率為95%和2 kW/L的功率密度。

最后，從系統(tǒng)成本中表明，基于Si的解決方案比SiC設(shè)計(jì)高出約18%。6.6 kW的對比也展現(xiàn)了SiC設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。

審核編輯：郭婷